生物醫(yī)學傳感壓電式

生物醫(yī)學傳感壓電式第1頁/共68頁1:05AM2上次課內(nèi)容回顧自感式傳感器差動變壓器式傳感器電渦流式傳感器第2頁/共68頁1:05AM3

§7-1壓電式傳感器

工作原理---壓電效應壓電材料(石英、壓電陶瓷）特性等效電路及測量電路壓電傳感器的應用第3頁/共68頁1:05AM4一、壓電效應第4頁/共68頁1:05AM5第5頁/共68頁1:05AM6重要特性（雙向有源器件）何為壓電式傳感器?第6頁/共68頁1:05AM7二、壓電材料：具有壓電效應的材料第7頁/共68頁1:05AM8納米發(fā)電機第8頁/共68頁1:05AM9高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

第9頁/共68頁1:05AM10第10頁/共68頁1:05AM11⑴石英晶體的壓電效應天然形成的石英晶體外形第11頁/共68頁1:05AM12石英晶體三個晶軸光軸：z

電軸：x

機械軸：y第12頁/共68頁1:05AM13石英晶體的產(chǎn)生壓電效應的物理過程：第13頁/共68頁1:05AM14Y+++---X(a)FX=0P1P2P3

作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(P1+P2+P3)X>0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0第14頁/共68頁1:05AM15（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－第15頁/共68頁1:05AM16第16頁/共68頁1:05AM17石英晶體切片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝第17頁/共68頁1:05AM18第18頁/共68頁1:05AM19（2）壓電陶瓷的壓電效應第19頁/共68頁1:05AM20第20頁/共68頁1:05AM21第21頁/共68頁1:05AM22第22頁/共68頁1:05AM23三、壓電方程或第23頁/共68頁1:05AM24第24頁/共68頁1:05AM25F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、縱向效應傳感器2、橫向效應傳感器

第25頁/共68頁1:05AM26四、

等效電路與測量電路＋＋＋＋――――Q電極壓電晶體(a)QCa(b)其電容量為：當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為：理想等效電路：第26頁/共68頁1:05AM27QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路第27頁/共68頁1:05AM28電荷型電壓型

壓電傳感器實際的等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc

連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻第28頁/共68頁1:05AM29【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.31×10-12C/N，相對介電常數(shù)εr=4.5，橫截面積A=5cm2，厚度h=0.5cm。求：(1)縱向受Fx=9.8N的壓力作用時壓電片兩電極間輸出電壓值為多大？(2)若此元件與高輸入阻抗運放連接時連接電纜的電容為Cc=4pF，該壓電元件的輸出電壓值為多大？第29頁/共68頁1:05AM30前置放大器也有兩種形式：

電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。測量電路

壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：1.把傳感器的高輸出阻抗換成低阻抗輸出；2.放大傳感器輸出的弱信號第30頁/共68頁1:05AM31

1、電壓放大器

壓電元件所受作用力

傳感器電壓靈敏度Ku：傳感器的輸入電壓：第31頁/共68頁1:05AM32電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器。

2、電荷放大器在放大器開環(huán)增益A足夠大時：靈敏度與電纜電容無關(guān)第32頁/共68頁1:05AM33五、

壓電傳感器的應用1、壓電式加速度傳感器第33頁/共68頁1:05AM342、

壓電式壓力傳感器第34頁/共68頁1:05AM35流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計3、

壓電式流量計第35頁/共68頁1:05AM364、

壓電式傳感器的其他應用第36頁/共68頁1:05AM37第37頁/共68頁1:05AM38第38頁/共68頁1:05AM39汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體第39頁/共68頁1:05AM40壓電式血壓傳感器指套式電子血壓計生物醫(yī)學中的應用:另外，醫(yī)用超聲儀器：超聲治療機、超聲多普勒血流記、超聲手術(shù)刀、超聲顯微鏡等等心內(nèi)導管壓電微音器第40頁/共68頁1:05AM41作業(yè)：超聲多普勒血流記第41頁/共68頁1:05AM42§7-2聲表面波傳感器一、聲表面波的基本原理二、SAW傳感器的工作原理三、SAW傳感器的主要應用第42頁/共68頁1:05AM43一、聲表面波的基本原理1.聲表面波簡介第43頁/共68頁1:05AM44瑞利波示意圖

瑞利波質(zhì)點運動隨深度的變化

瑞利波（Rayleigh波）

第44頁/共68頁1:05AM45勒夫波（Lovewaves）

第45頁/共68頁1:05AM462.聲表面波的發(fā)展歷史第46頁/共68頁1:05AM473.聲表面波的技術(shù)特點4、聲表面波器件可以十分方便地產(chǎn)生高頻信號；1、具有較低的傳播速度，由于聲表面波的傳播速度僅為電磁波的1/10-5，在其傳播路徑上容易取樣和進行處理；2、低成本，利用半導體工藝的光刻技術(shù)（平面工藝）；3、高強度，易于設(shè)計；第47頁/共68頁1:05AM48第48頁/共68頁1:05AM49第49頁/共68頁1:05AM50SAW器件的工作原理：通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理，并利用聲電換能器的特性來完成的。二、SAW傳感器的基本原理第50頁/共68頁1:05AM511、SAW叉指換能器的工作原理（a）單指叉指換能器，（b）雙電極叉指換能器。

第51頁/共68頁1:05AM52IDTs的參數(shù)：（1）叉指對數(shù)N；（2）孔徑W(指條長度）；（3）指條寬度a；（4）指條間隔寬度b；（5）叉指的周期M。

均勻叉指換能器的指條寬度等于指條間隔寬度，即a=b=M/4第52頁/共68頁1:05AM53壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布

第53頁/共68頁1:05AM54基片上電極制作流程示意圖。（a）基片前處理；（b）鍍金屬膜；（c）-（d）在金屬層上光刻；（e）金屬層腐蝕；（f）除膠。2、SAW叉指換能器的制備第54頁/共68頁1:05AM55第55頁/共68頁1:05AM563、SAW傳感器的基本原理SAW傳感器特性SAW傳感器優(yōu)勢第56頁/共68頁1:05AM57三、SAW傳感器的主要應用溫度傳感器壓力傳感器濕度傳感器陀螺儀（角速率）氣體(化學)傳感器液體(生物)傳感器壓力檢測溫度檢測電子標簽識別物理傳感器無線傳感器化學、生物傳感器第57頁/共68頁1:05AM581、SAW溫度傳感器第58頁/共68頁1:05AM592、SAW壓力傳感器應用：在某些心臟肺部驅(qū)動以及一些生物技術(shù)、工藝流程中得到較好的應用。第59頁/共68頁1:05AM604、SAW氣體傳感器現(xiàn)有氣體傳感技術(shù)：第60頁/共68頁1:05AM61結(jié)合敏感膜材料的SAW氣體檢測的基本原理：第61頁/共68頁1:05AM62與氣相色譜相結(jié)合，實現(xiàn)不通氣體組分時間上的分離。第62頁/共68頁1:05AM63化學毒劑（GB，GA，GD，以及VX等）的檢測應用

－－典